HU212176B - Process for hindering the caking of steel strips of low carbon content in the course of annealing heat treatment - Google Patents

Description

A jelen találmány tárgya olyan eljárás alacsony széntartalmú acélszalagok összesülésének megakadályozására, amelyet hidrogén és nitrogén védőgázban végzett lágyító hőkezelés alatt lehet alkalmazni, és amelynek során az anyagot felmelegítjük, hőntartjuk és lehűtjük.

Az acélszalagokat általában tekercs formában hőkezelik, mégpedig tégelyes lágyítókemencékben, harangkemencékben vagy áthúzó kemencékben. A hőkezelést általában nitrogén-hidrogén védőgázban vagy exogázban végzik. Az izzítás során azonban az acélszalagok gyakran összeragadnak. Ezt a jelenséget több tényező befolyásolja. Ezek közül a legfontosabbak a méretek, a felületi durvaság mértéke, a védőgáz minősége, az érintkezési nyomás, a hőmérséklet és a hőkezelési idő.

A szakirodalom szerint az összesülések, illetve összeragadások a szalagfelületek azon részein jönnek létre, ahol nagy nyomás alakul ki és a tekercs menetei egymáshoz képest a lehűlés során elmozdulnak, így adhéziós és diffúziós folyamatok játszódnak le. Az ilyen összesülések elkerülésére juttatnak az egymás mellett lévő szalagfelületek közé valamilyen anyagot. A 2 160 635 számú USA szabadalom szerint az acélszalagot a fel tekercselés során vízzel permetezik be. Ennek következtében a hőkezelés során oxidréteg alakul ki és megakadályozza az összesülést. Az oxidréteg az izzítás során magától eltűnik vagy vízgázzal, illetve hidrogénnel történő redukciós kezeléssel távolítható el, amint ez az 56 773 számú német szabadalomból megismerhető.

A jelen találmánnyal ezért olyan eljárás kialakítása a célunk, amellyel az alacsony széntartalmú acélszalagok izzítás során fellépő összesülése megakadályozható anélkül, hogy idegen anyag alkalmazására lenne szükség.

A kitűzött feladatot, olyan eljárással oldottuk meg, ahol az összesülés megakadályozására 95-99 t% nitrogént és a maradékban hidrogént tartalmazó védőgáz keverékben végzett lágyító hőkezelés során az anyagot felmelegítjük, hőntartjuk és lehűtjük, amikoris a hőntartás alatt a szalagon 600 °C fölött végzett oxidációval vékony fedőréteget alakítunk ki oly módon, hogy a védőgázhoz 0,2-0,3 g széndioxidot adunk, 1 m² izzított anyagfelülere számolva, majd ezt a lehűtés során 600 ’C alatti hőmérsékleten végzett redukcióval teljesen eltávolítjuk. Magát a hőntartást általában 650 és 720 °C között lehet végezni.

A találmány szerint előállított fedőréteg megvédi a szalagrészeket az összetapadástól a különböző menetek között. Ez a lehűtési fázis elején történik, azaz amíg a kemence maghőmérséklete el nem éri a 600 ’C-ot. Minthogy a tekercsek belsejében az egyes menetek közötti feszültségek ekkor a legnagyobbak, ezt a hőmérséklet tartományt lehet az összetapadás szempontjából kritikusnak tekinteni.

A fenti hőmérséklet elérése után a kemencében ismét redukáló atmoszférát kell kialakítani, annak érdekében, hogy a kialakított oxidos fedőréteget a hőkezelés további részében tökéletesen el lehessen távolítani.

Az oxidos fedőréteg eltávolítását a vízgáz egyensúly megváltoztatásával vagy a kemence atmoszféra kicserélésével lehet elvégezni.

A találmány további részleteit kiviteli példákon, rajz segítségével ismertetjük. A rajzon az 1. ábra a szén-hidrogén-oxigén háromalkotós állapotábrája látható a védőgáz összetételének meghatározásához 680 °C-on, a

2a. ábra az izzítás lefolyását mutatja 680 ’C-on történő hőntartás esetén egy adott gázkeverék esetében és a

2b. ábra ugyancsak az izzítás lefolyása egy másik gázkeverékre Vonatkoztatva.

Az 1. ábrán látható diagramban az 1 jelű mérési pont egy nitrogén-hidrogén gázkeveréket, a 2 mérési pont exogázt és a 3 mérési pont széndioxiddal kevert nitrogén-hidrogén gázkeveréket jelez.

A 2a ábrán egy hidrogén-víz keverék állapotábrája látható, a 2b ábra pedig egy szénmonoxid-széndioxid gázkeverék állapotábrája. A hidrogén-víz gázkeveréket a redukálás során, a szénmonoxid-széndioxid gázkeveréket 600 ’C hőmérsékletig oxidáláshoz, az alatt redukáláshoz lehet alkalmazni.

Szénmonoxidból, széndioxidból, hidrogénből, illetve metánból álló gázkeverékek esetében a komponensek között mindaddig reakció játszódik le, amíg egységes szénaktivitás nem áll be.

Amennyiben a fémszalag felülete és a gázfázis között nincs egyensúly, szénnel történő dúsulás és elszegényedés, illetve oxidáció és redukció játszódik le mindaddig, amíg a két fázis közötti anyagátadás következtében egyensúlyi állapot nem alakul ki.

Ez azt jelenti, hogy minden, az acélszalag felületén kialakuló kívánt kémiai összetételből adódó szénaktivitás egyensúlyi állapotban, meghatározott hőmérsékleten, meghatározott gázösszetételhez van hozzárendelve:

[C] + {CO₂} -> 2 {CO} [C] + {H₂O} —> 2 {CO} + {H₂}

Mivel az alacsonyan ötvözött acél szénaktivitása alacsony kell legyen és ebben az esetben az oxidáció fontos, a gázösszetétel olyan homogén vízgáz reakcióhoz van hozzárendelve, amely összefoglalóan az alábbi módon írható le:

CO₂ =CO+1/2O₂

1/2 O₂ + H₂ = H₂O {CO₂}+{H₂} = {CO} + {H₂O}

Meghatározott hőmérsékleten az adott egyensúlyi állapot fölött meghatározott gázösszetétel alakul ki.

Kiválasztottunk például egy 97 tömeg% nitrogént és 3 tömeg% hidrogént (a százalékban megadott értékek a továbbiakban is mindig tömeg%-ot jelentenek) tartalmazó gázkeveréket. Megfelelő széndioxid hozzáadás esetében a vízgáz reakció meghatározott hőmérsékleten szabályozható. Homogén állapotban a harangkemencében az alábbi reakciók játszódnak le.

H₂O = H₂ + 1/2 O

CO₂ = CO + 1/2 O₂

CO₂ + H₂ = H₂O + CO

Az oxigénátadás további változásokat eredményez:

HU 212 176 Β

Me + 1/2 O₂ = MeO

Me + CO₂ = MeO + CO

Minthogy a {CO₂} —> CO + 1/2 O₂ reakció viszonylag lassú a H₂O = H₂ + 1/2 O₂ reakcióhoz képest, a szénmonoxid-széndioxid gázkeverékben az oxidáció viszonylag hosszú idő alatt játszódik le.

Példa:

Homogén vízgáz esetében általában az alábbi feltételek érvényesek:

LgK_w = Lg (PCO · PH₂/PCO₂ · OH₂) = 1717/T + 1.575, például 680 °C és KW = 0,6 esetében.

Ha történetesen 1,2% széndioxidot és 3% hidrogént, valamint 0,04% H₂O-t tartalmazó gázkeveréket 680 °C-ra melegítjük, az a kérdés adódik, hogy mi a gáz összetétele az egyensúly beállása után. Homogén rendszert tekintve az alábbi reakcióegyenletek állíthatók fel:

VAA + VBB + .... + H = VEE + FFF +.....

ahol Vi, i + {A,....F} a i anyagok sztöchiometrikus mólszámait jelentik.

Xj = P,/P mól törteket alkalmazva a tömeghatási törvény az alábbi alakban írható fel:

EVE · FVF/AVA · BVB — Kp · pexp AZVi

A ΔΣνΐ reakció index a végtermékek mólszámainak összegének és a kiindulási termékek mólszámai összegének a különbsége:

ÁEVi = VE + FF - VA- VB és ez kifejezi a térfogatváltozást és a nyomásfüggést.

Az előbbi példában a vízgáz reakció esetén AZVi = 0 adódott, ahonnan általánosságban:

KPP.Pexp-ÁZVi = KC(RT/P)expAZVi

Minthogy AZVi = O-ból következően KP = KC, a reakció a nyomástól független.

Ha most az eredeti gázösszetételt vizsgáljuk:

XCO = O; XH₂ = 0,03; XCO₂ = XH₂O = 0,00004 és az újonnan képződött szémonoxid mól törtje Z, akkor a mól törtek egyensúlyi összetétele a következő:

CO: = Z

CO₂: = XCO₂-Z

H₂: zz XH₂ -Z

H₂O: = XH₂O + Z

A tömeghatás törvénye ekkor:

K = Z(XH₂O + Z)/(XCO₂-Z)(XH₂-Z)

Z behelyettesítésével az alábbi egyenlet adódik:

(l-K)Z² + (XH₂O + KXCO₂ + KXH₂)Z KXCO₂XH₂ zz 0

Ha K értékét 680 °C-on 0,6-ben állapítjuk meg, akkor az ideális állapot:

H₂ zz 2,24%, CO = 0,76%, CO₂ = 0,44%

H₂O = 0,77%

K = 0,01 esetén például:

H₂ = 2,83%, CO = 0,17%, CO₂ zz 1,03%

H₂Oz=0,17%

A gázkeverék összetétele tehát elméletileg az alábbi tartományba kell essen:

H₂ = 2,24-2,83%

CO = 0,17-0,76%

CO₂ = 0,44-1,03%

H₂O zz 0,17-0,77%

Ebben az esetben egy kísérlet során az alábbi értékeket mértük: H₂ = 2,1%, CO = 0,78%, CO₂ = 0,86%, H₂O = 0,06%. Ez az összetétel megfelel az 1. ábrán bemutatott állapotábra 3. pontjának.

Ennek a pontnak a helyzete a háromalkotós állapotábrában . meghatározza a gázösszetétel befolyását az acélszalag felületére.

A nitrogén-hidrogén gázkeverékhez hozzáadott széndioxid tehát eltolja az 1 jelű pontot a redukciós zónából az oxidációs zóna határára. A kemence működésétől fügően tehát a gázösszetétel úgy változik, hogy a vízgáz egyensúly 0,01 és 0,6 közé esik.

Ebben az értelemben lehetett megtalálni a széndioxid beadagolására egy optimális koncentrációt, annak érdekében, hogy a víz-gáz reakció tulajdonságait teljes mértékben kihasználjuk összetapadásmentes izzítás elérésére. Az összetapadás úgy kerülhető el, hogy például 0,9-2,5% széndioxidot adagolunk egy 97/3 összetételű nitrogén-hidrogén gázkeverékhez, azaz viszonylag alacsony széndioxid tartalmat hozunk létre az exogázhoz viszonyítva.

További elméleti megfontolások azt mutatták, hogy az acélszalag felületén oxidréteg, illetve széndioxid védőréteg alakítható ki, molekuláris vastagságban. Ez elegendő ahhoz, hogy a menetek közötti összetapadást megakadályozza. Ennek érdekében az izzítás során, illetve annak végénél a kemencében enyhén oxidáló atmoszférát kell kialakítani, aminek eredményeképpen az acélszalag felületén vékony inaktív fedőréteg (FO) jön létre.

A 2. ábrán látható a nitrogén-hidrogén-széndioxid védőgáz keverék összetételének változása a lágyítás fázisaiban. Ezeket elméletileg két részre bontottuk:

a) H₂-H₂O - gázkeverék

b) CO-CO₂ - gázkeverék.

A homogén gázreakción vagy a részreakciókon túlmenően - ahogy azt a fentiekben ismertettük - szénmonoxid és H₂O olyan mennyiségben keletkeznek, hogy a CO-CO₂ gázkeverék 600 °C felett oxidációt eredményezhet.

A H₂-H₂O gázkeverék ezzel szemben redukáló hatású. Csökkenő hőmérséklet esetén (a lehűtési fázisban) megváltozik a CO-CO₂ viszony a védőgázban, mégpedig oly módon, hogy a redukciós képesség csak 600 °C alatt jelenik meg.

A kialakult oxidos fedőréteget a hűtési fázis végén redukáljuk.

Az optimális CO₂ beadagolást a teljes kezelendő felületre számolva határoztuk meg és ennek értéke 0,2-0,3 g, 1 m² acélszalag felületre vonatkoztatva.

A találmány szerinti eljárás lehetőséget ad tehát az acélszalagok lágyító hőkezelése során a menetek öszszetapadásának megakadályozására és egyidejűleg az exogáz szintetikus gázzal történő helyettesítésére. Ez a körülbelül 8% szénmonoxidot és 6% széndioxidot tartalmazó exogázhoz képest lényegesen környezetbarátabbnak minősíthető, minthogy a szénmonoxid emiszszió mintegy 95%-kal és a széndioxid emisszió mintegy 92%-kal csökkenthető.

Claims (2)

1. SZABADALMI IGÉNYPONTOK

   1. Eljárás alacsony széntartalmú acélszalagok öszszesülésének megakadályozására lágyító hőkezelés során, amikor 95-99 t% nitrogént és a maradékban hidro- 5 gént tartalmazó védőgáz keverékben végzett lágyító hőkezelés alatt az anyagot felmelegítjük, hőntartjuk és lehűtjük, azzal jellemezve, hogy a hőntartás alatt a szalagon 600 °C fölött végzett oxidációval vékony fedőréteget alakítunk ki oly módon hogy a védőgázhoz 0,2-0,3 g szénmonoxidot adunk, 1 m² anyagfelületre számolva, majd ezt a lehűtés során 600 °C alatti hőmérsékleten végzett redukcióval teljesen eltávolítjuk.
2. 2. Az 1. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a redukciót a vízgáz egyensúly megváltoztatásával végezzük.